生物組織光學(xué)模型的蒙特卡羅模擬研究.pdf

1、對生物組織的光學(xué)參數(shù)進行在位精確測量，是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的重要研究內(nèi)容，是光學(xué)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進行基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用的重要前提。生物組織光學(xué)特性參數(shù)的測量在組織類型識別、腫瘤定性分析和外科手術(shù)導(dǎo)航等研究領(lǐng)域具有重要的研究意義。如何用數(shù)學(xué)方法研究光在具有分層組織中的傳輸過程以及如何根據(jù)測得的漫反射率和光通量的數(shù)據(jù)來反演出該分層組織的各層光學(xué)特性參數(shù)，這兩個問題目前沒有得到很好的解決。蒙特卡羅(Monte Carlo)方法是解決光在生物組織中傳

2、輸?shù)挠行Х椒?。本文利用Wang Lihong博士編寫的CONV程序和Erik Alerstam等人編寫的CUDAMCML軟件對分層模型進行仿真，以仿真得到的漫反射率和光通量數(shù)據(jù)作為輸入，分層組織的散射系數(shù)和吸收系數(shù)作為輸出，建立BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對分層組織的光學(xué)特性參數(shù)進行了反演研究。本文的主要工作有:
　　(1)使用蒙特卡羅模擬方法研究光在分層組織傳輸?shù)木唧w流程。
　　(2)使用蒙特卡羅模擬程序?qū)螌?、雙層、三層模型進行仿

3、真，改變單層、雙層、三層模型的光學(xué)特性參數(shù)，通過仿真得到不同光學(xué)特性參數(shù)下漫反射率和光通量的數(shù)據(jù)，分析光學(xué)參數(shù)和漫反射率的關(guān)系;對模型內(nèi)部的光場進行圖像重建，通過光場圖像分析光學(xué)參數(shù)和和光通量的關(guān)系。
　　(3)使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，利用蒙特卡羅模擬程序建立以漫反射率或者光通量作為輸入，散射系數(shù)、吸收系數(shù)作為輸出的訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫和驗證數(shù)據(jù)庫，利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練。利用驗證數(shù)據(jù)對訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行驗證，對驗證結(jié)果進

4、行誤差分析。
　　(4)使用Matlab中的GUIDE工具，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對光學(xué)特性參數(shù)反演系統(tǒng)進行可視化編程設(shè)計。在系統(tǒng)軟件中導(dǎo)入以光通量為輸入，散射系數(shù)、吸收系數(shù)為輸出的訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫和驗證數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了通過已知光通量數(shù)據(jù)精確預(yù)測組織模型的散射系數(shù)和吸收系數(shù)。
　　誤差結(jié)果表明，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對分層組織的散射系數(shù)和吸收系數(shù)進行高精度的預(yù)測，本文設(shè)計的光學(xué)特性參數(shù)反演系統(tǒng)能夠為醫(yī)學(xué)臨床診斷和治療提供參考信息，因而具有一定